CN112731690A - 一种太赫兹波段可调谐多功能波束调控器件及其调谐方法 - Google Patents

一种太赫兹波段可调谐多功能波束调控器件及其调谐方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹波段可调谐多功能波束调控器件，所述器件为中心含有缺陷层(3)的一维光子晶体，所述缺陷层(3)的前面和后面依次排列多层光子晶体单元，每一层光子晶体单元由石墨烯层(1)和硅层(2)构成，中心缺陷层(3)是相变材料VO2。本发明通过改变VO2的相态可以使得器件在太赫兹波段实现带通滤波和完美吸收两种波束调控功能的切换，而通过改变石墨烯的化学势还可以调谐带通滤波和完美吸收的工作频率，因此本发明在太赫兹波通信和传感等领域具有潜在应用前景。

Description

一种太赫兹波段可调谐多功能波束调控器件及其调谐方法
技术领域
本发明属于太赫兹波束调控器件领域,具体涉及一种工作于太赫兹波段的可调谐一维光子晶体多功能波束调控器件及其调谐方法。
背景技术
太赫兹波具有方向性好、传统性强和探测精度高等特点，在通信、成像和传感等领域具有广泛的应用前景。由于对太赫兹波的响应的自然晶体材料稀少，近年来基于人工微结构开发各种太赫兹波束调控器件得到了广泛的关注和研究。常见的用于太赫兹波束调控的人工微结构包括光子晶体、超材料和超表面。其中光子晶体是一种介电常数随空间周期性变化的人工材料，它最突出的特点是具有传输带隙和能够实现能量局域化，因而可以实现对太赫兹波的精确调控。在过去数十年中，一维光子晶体由于易制造，低成本和高兼容性的优点被广泛的应用于太赫兹波全方向反射器、带通滤波器和完美吸收器等器件的研究中。
与此同时，为满足器件集成化应用需求，太赫兹波束调控器件正朝着可调谐方向发展。目前常用的可调谐材料包括液晶、石墨烯和相变材料。液晶分子在形状、电导率、介电常数和折射率上具有各向异性特性，如果对它施加电场，随着液晶分子取向结构发生变化，它的光学特性也随之变化，即液晶具有电光效应。石墨烯的电导率可以通过电压偏置或化学掺杂等方式来实现调谐，由于电导率与决定能带结构的色散关系有关，因而可以调谐能带结构，实现对光的操控。单层石墨烯在从可见到太赫兹的宽波段对光的吸收率只有2.3％，损耗极低，透射率高达97.7％。VO2是一种典型的相变材料，当温度达到68℃左右时，将从单斜晶格结构(绝缘相)变为四方晶格结构(金属相)，并且在相变前后介电常数发生快速且可逆的突变。当人工微结构由这些可调谐材料构成或将可调谐材料耦合到人工微结构中时，就可以实现对太赫兹波频率、相位和振幅的主动调谐。
以一维光子晶体为例，目前国内外已有文献和发明专利采用液晶、石墨烯和相变材料等其中一种可调谐材料来实现可调谐太赫兹波束调控器件，如中国发明专利CN201410086632，CN201510246286，CN201911208946，这些报道通常采用单一种类的可调谐材料，而且主要是对工作频率进行调谐。
发明内容
本发明的目的在于提出一种太赫兹波段可调谐多功能波束调控器件及其调谐方法，通过改变VO2的相态可以使得器件在太赫兹波段实现带通滤波和完美吸收两种波束调控功能的切换，而通过改变石墨烯的化学势还可以调谐带通滤波和完美吸收的工作频率。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种太赫兹波段可调谐多功能波束调控器件，所述器件为中心含有缺陷层的一维光子晶体，所述缺陷层的前面和后面依次排列多层光子晶体单元，其特征在于，每一层光子晶体单元由石墨烯层和硅层构成，中心缺陷层是相变材料VO2。
进一步地，所述缺陷层的前面和后面依次排列相同层数的光子晶体单元。
进一步地，所述缺陷层的前面和后面依次排列的光子晶体单元的层数大于5层。
进一步地，石墨烯层的厚度dg的范围是：0.33nm≤dg≤1nm，硅层的厚度ds的范围是：4.7μm≤ds≤300μm，中心缺陷层的厚度dv的范围是：0.1μm≤dv≤1000μm。
进一步地，器件的工作频率范围为0.1THz～10THz。
根据上述的太赫兹波段可调谐多功能波束调控器件的调谐方法，当VO2处于绝缘相时，VO2表现为高透射介质材料，频率位于缺陷态的太赫兹波进入一维光子晶体内传播，从而实现带通滤波功能；当VO2处于金属相时，此时VO2表现为完美反射体，由于带隙的低频边缘是由器件的Fabry–Perot共振决定的，因而低频边缘的吸收率接近100％，从而实现完美吸收功能。
进一步地，所述VO2处于绝缘相的温度选为30℃，所述VO2处于金属相的温度选为90℃。
进一步地，将石墨烯层的化学势μc选取在0.1eV～1.0eV范围内变化从而实现器件工作频率的调谐。
相比于现有技术，本发明的优点是：
现有的可调谐太赫兹器件通常使用单一种类的可调谐材料，而且通常是对工作频率进行调谐，本发明同时采用了两种不同种类的可调谐材料来设计一维光子晶体可调谐太赫兹器件，既能实现带通滤波和完美吸收两种波束调控功能的切换，又能对其工作频率进行调谐，达到了功能和工作频率双调谐目的。
附图说明
图1是本发明太赫兹波段可调谐多功能波束调控器件结构示意图。
图2为实施例1中可调谐带通滤波器的透射、反射和吸收曲线图。
图3为实施例1中可调谐完美吸收器的透射、反射和吸收曲线图。
图4为实例2中二氧化钒为绝缘相时第一个带隙(通道)的透射、反射和吸收曲线图。
图5为实例2中二氧化钒为绝缘相时第二个带隙(通道)的透射、反射和吸收曲线图。
图6为实例2中二氧化钒为金属相时第一个带隙(通道)的透射、反射和吸收曲线图。
图7为实例2中二氧化钒为金属相时第二个带隙(通道)的透射、反射和吸收曲线图。
具体实施方式
为了便于说明，下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明：
如图1所示，本发明提出一种太赫兹波段可调谐多功能波束调控器件，所述器件为中心含有缺陷层3的一维光子晶体，光子晶体由石墨烯层1和硅层2交替排列构成，缺陷层由相变材料VO2构成。石墨烯的厚度0.33nm≤dg≤1nm，硅的厚度4.7μm≤ds≤300μm，VO2的厚度0.1μm≤dv≤1000μm。器件的工作频率范围为0.1THz～10THz，VO2分别处于绝缘相(30℃)和金属相(90℃)两种相态时实现带通滤波和完美吸收两种波束调控功能的切换，石墨烯的化学势μc在0.1eV～1.0eV范围内变化时实现器件工作频率的调谐。
本发明所述的太赫兹波段可调谐多功能波束调控器件工作原理是：对于单层石墨烯和硅构成的无缺陷层一维光子晶体，通过设计硅的厚度可以在太赫兹波段产生光子带隙。频率处于带隙内的太赫兹波将无法进入一维光子晶体内传播。在一维光子晶体中间引入VO2缺陷层后，此时将在带隙中间引入一个缺陷态，当VO2处于绝缘相时(工作温度30℃)，VO2表现为高透射介质材料，频率位于缺陷态的太赫兹波将进入一维光子晶体内传播，从而实现带通滤波功能。当VO2处于金属相时(工作温度90℃)，此时VO2表现为完美反射体，由于带隙的低频边缘是由结构的Fabry–Perot共振决定的，因而低频边缘的吸收率可高达100％，从而实现完美吸收功能。当调节石墨烯的化学势从0.1eV增加至1.0eV时，石墨烯介电常数的绝对值随化学势的增大而增大，使得石墨烯与硅之间介电常数之差增大，从而可以调谐光子带隙的大小以及使得带通滤波器和完美吸收器的频率向高频方向移动。
实施例1
设定一维光子晶体中硅材料的厚度ds＝8μm，单层石墨烯层和硅层重复22个周期(即缺陷层的前面和后面分别排列11层光子晶体单元)，相变材料VO2的厚度dv＝7μm。电磁波沿与光子晶体表面垂直方向入射。
图2和图3是本实施例的效果图，此时光子晶体在5.1THz～5.9THz范围内产生光子带隙。如图2所示，当VO2处于绝缘相(30℃)时，光子晶体表现为带通滤波器。随着石墨烯的化学势μc从0.4eV以0.2eV步长增加到1.0eV，带通滤波器工作频率分别位于5.44THz，5.49THz，5.53THz和5.55THz，对应的透射率分别为60.00％，43.43％，28.85％和17.21％，透射率的降低是由于石墨烯的吸收随化学势增加而增加。如图3所示，当VO2处于金属相(90℃)时，光子晶体表现为完美吸收器。随着石墨烯的化学势从0.4eV以0.2eV步长增加到1.0eV，完美吸收器工作频率分别位于5.31THz，5.34THz，5.36THz和5.37THz，对应的吸收率分别达到97.22％，99.92％，96.89％和91.12％。因此本实施例既能实现带通滤波和完美吸收两种波束调控功能的切换，又能对其工作频率进行调谐，达到了功能和工作频率双调谐目的，验证了本发明的创新点。
实施例2
设定一维光子晶体中硅材料的厚度ds＝10μm，单层石墨烯和硅重复20个周期(即缺陷层的前面和后面分别排列10层光子晶体单元)，相变材料VO2的厚度dv＝28μm。电磁波沿与光子晶体表面垂直方向入射。
图4～图7是本实施例的效果图，此时光子晶体在4.2THz～4.9THz范围内产生光子带隙I，在8.5THz～9.1THz范围内产生光子带隙II。如图4和图5所示，当VO2处于绝缘相(30℃)时，光子晶体表现为带通滤波器，此时带隙II透射率较带隙I高。随着石墨烯的化学势从0.4eV以0.2eV步长增加到1.0eV，带隙II中带通滤波器工作频率分别位于8.66THz，8.68THz，8.70THz和8.72THz，对应的透射率分别为85.70％，79.57％，73.77％和68.24％。如图6和图7所示，当VO2处于金属相(90℃)时，光子晶体表现为完美吸收器，此时带隙I和带隙II的吸收率都很高。随着石墨烯的化学势从0.4eV以0.2eV步长增加到1.0eV，带隙I中完美吸收器工作频率分别位于4.24THz，4.26THz，4.28THz和4.30THz，对应的吸收率分别达到98.49％，99.28％，94.37％和87.00％；带隙II中完美吸收器工作频率分别位于8.58THz，8.60THz，8.62THz和8.63THz，对应的吸收率分别达到90.28％，96.28％，99.35％和99.90％。因此本实施例既能实现带通滤波和完美吸收两种波束调控功能的切换，又能对其工作频率进行调谐，达到了功能和工作频率双调谐目的，验证了本发明的创新点。
以上实施例并不限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种太赫兹波段可调谐多功能波束调控器件，所述器件为中心含有缺陷层(3)的一维光子晶体，所述缺陷层(3)的前面和后面依次排列多层光子晶体单元，其特征在于，每一层光子晶体单元由石墨烯层(1)和硅层(2)构成，中心缺陷层(3)是相变材料VO2。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波段可调谐多功能波束调控器件，其特征在于，所述缺陷层(3)的前面和后面依次排列相同层数的光子晶体单元。
3.根据权利要求2所述的太赫兹波段可调谐多功能波束调控器件，其特征在于，所述缺陷层(3)的前面和后面依次排列的光子晶体单元的层数大于5层。
4.根据权利要求1所述的太赫兹波段可调谐多功能波束调控器件，其特征在于，石墨烯层(1)的厚度dg的范围是：0.33nm≤dg≤1nm，硅层(2)的厚度ds的范围是：4.7μm≤ds≤300μm，中心缺陷层(3)的厚度dv的范围是：0.1μm≤dv≤1000μm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的太赫兹波段可调谐多功能波束调控器件，其特征在于，器件的工作频率范围为0.1THz～10THz。
6.根据权利要求5所述的太赫兹波段可调谐多功能波束调控器件的调谐方法，其特征在于，当VO2处于绝缘相时，VO2表现为高透射介质材料，频率位于缺陷态的太赫兹波进入一维光子晶体内传播，从而实现带通滤波功能；当VO2处于金属相时，此时VO2表现为完美反射体，由于带隙的低频边缘是由器件的Fabry–Perot共振决定的，因而低频边缘的吸收率接近100％，从而实现完美吸收功能。
7.根据权利要求6所述的太赫兹波段可调谐多功能波束调控器件的调谐方法，其特征在于，所述VO2处于绝缘相的温度选为30℃，所述VO2处于金属相的温度选为90℃。
8.根据权利要求6所述的太赫兹波段可调谐多功能波束调控器件的调谐方法，其特征在于，将石墨烯层(1)的化学势μc选取在0.1eV～1.0eV范围内变化从而实现器件工作频率的调谐。
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